CN113007612A - 基于时域反射技术的铁路给水管网检漏系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及给水管网技术领域，为基于时域反射技术的铁路给水管网检漏系统及方法，包括：位于地面上的铁轨、时域反射仪及位于地面下的金属给水管，时域反射仪的第一信号收发端与铁轨电连接，时域反射仪的第二信号收发端与金属给水管电连接，时域反射仪的第一信号收发端、铁轨、土壤、金属给水管及时域反射仪的第二信号收发端依次导通形成电压阶跃信号的反射电回路。针对铁路给水管网特点，采用铁轨、金属管道或金属示踪线作为信号输出端/接收端，以大地土壤作为导体构成闭合回路，通过检测接收信号强度，识别土壤介电常数异常点，确定管网泄漏点，本发明不需要开挖既有管道，保证铁路正常运营，操作简单方便，投入成本低，识别精度高，速度快。

Description

基于时域反射技术的铁路给水管网检漏系统及方法

技术领域

本发明涉及给水管网技术领域，具体涉及基于时域反射技术的铁路给水管网检漏系统及方法。

背景技术

我国水资源短缺，水资源人均拥有量仅为2300立方米，相当于世界平均水平的1/4左右。随着我国人口增加和经济迅速发展，水资源供需矛盾持续加剧，在现有水资源的状态下，减少漏失水量、提高水资源的利用效率已迫在眉睫。据调查表明，国内城市供水管网漏损率在15％以上，铁路给水管网漏损率达20％以上，而发达国家的供水漏损率普遍在10％左右。如果漏失率能够降低10个百分点，就可以节省至少52亿吨水。

目前管网泄露检测主要采用人工方式，听音法是自来水企业应用最为普遍的方法，但是人力、物力花费较大，并且对检漏工人的身体造成损害。

当前国内专利库暂无专门适用于铁路系统给水管网检漏的专利，主要通过在管网节点设置大量传感器，监测管道中压力、流量、噪声等信号，建立水力模型或者神经网络深度学习模型，识别管网漏损点。申请号201911313009.7提出了一种给水管网漏损监测与定位的方法，通过在管网中安装大量传感器，利用水量平衡模型识别漏水分区，再比对噪声频谱信号定位漏损点，该方法采用的水量平衡模型参数依赖经验值，可靠性不高，同时在给水管网中安装大量传感器，频繁关阀做闭水试验，影响日常生产生活用水需求，投资成本较高，降低用户满意度，实施难度较大。申请号201810702647.7提出了一种供水管网实时漏损分析方法，通过给水管网的水量、压力、管道参数建立仿真模型，匹配预测值与实际值的差异，识别漏损情况，但在管网在线监测数据质量参差不齐，频率较高的前提下，无法精准迅速的处理大量数据，误报率较高。申请号201810527186.4提出的基于聚类和深度信念网络的漏损初定位方法，通过建立并训练漏损区域识别模型辨识漏损区域，但该方法无法准确识别漏点位置。申请号201811283725.0提出基于长短时记忆神经网络模型的漏损识别方法，将传感器获得的数据处理后，训练长短时记忆的神经网络模型，对异常流量点进行识别。申请号201710998436.8提出基于门控循环单元的神经网络模型，通过模型计算的时间序列向量与参考数据相对值的余弦距离，识别是否发生了漏损。这类神经网络模型识别过程过于繁琐，存在误报率高、实际操作中可信度低等问题，浪费水务部门的人力物力财力。故亟需一种适用于铁路给水管网特点的漏损检测方法。

发明内容

本发明提供了一种基于时域反射技术的铁路给水管网检漏系统及方法，解决了以上所述的现有铁路给水管网检漏要求人员经验丰富、老旧管网安装传感器实施困难且投入成本大、泄漏点识别误报率高、定位精度低、耗时较久的技术问题。

本发明为解决上述技术问题提供了基于时域反射技术的铁路给水管网检漏系统，包括：位于地面上的铁轨、时域反射仪及位于地面下的金属给水管，所述时域反射仪的第一信号收发端与所述铁轨电连接，所述时域反射仪的第二信号收发端与所述金属给水管电连接，所述时域反射仪的第一信号收发端、铁轨、土壤、金属给水管及时域反射仪的第二信号收发端依次导通形成电压阶跃信号的反射电回路。

可选的，所述时域反射仪的第一信号收发端与所述铁轨之间通过同轴电缆FB电连接，所述时域反射仪的第二信号收发端与所述金属给水管之间通过同轴电缆FC电连接。

可选的，所述同轴电缆FB的探头通过夹子或胶带与所述铁轨固定连接，所述同轴电缆FC的探头通过夹子或者胶带与所述金属给水管固定连接。

可选的，所述同轴电缆FC的探头与给水阀门井的金属阀门、金属管道、或者井内的金属示踪线电连接。

可选的，所述同轴电缆FC的实测电阻值范围为1～2Ω。

可选的，所述时域反射仪的型号为便携式TDR100。

本发明还提供了基于时域反射技术的铁路给水管网检漏方法，包括：

S1，将时域反射仪的第一信号收发端与所述铁轨电连接，第二信号收发端与所述金属给水管电连接；

S2，时域反射仪发送电压阶跃信号，并经过所述第一信号收发端、铁轨、土壤、第二信号收发端及金属给水管形成的反射电回路进行接收；

S3，所述时域反射仪对接收到的反射信号进行分析，反射信号载有土壤介电常数信息，当金属给水管的某处的点介电常数较周围的差异超过预设范围时，则判定该处为泄漏点。

可选的，所述S2具体包括：所述时域反射仪产生电压阶跃信号，依次经过第二信号收发端、金属给水管，然后经过土壤反射到达铁轨，最后经过第一信号收发端进行接收。

可选的，所述S3具体包括：

定义信号沿金属导线传播的表观距离为S，即发射的电磁信号在一定时间传导的距离，定义土壤的相对介电常数为∈，定义被测试的金属导线实际距离为L，有

其中c为电磁信号传播速度，t为信号在沿着探头两个端点行进的往返时间；

定位泄漏点E位置为L_CE＝L_CB+L_BE，其中L_CB已知，根据公式

有益效果：本发明提供了基于时域反射技术的铁路给水管网检漏系统及方法，包括：位于地面上的铁轨、时域反射仪及位于地面下的金属给水管，时域反射仪的第一信号收发端与铁轨电连接，时域反射仪的第二信号收发端与金属给水管电连接，时域反射仪的第一信号收发端、铁轨、土壤、金属给水管及时域反射仪的第二信号收发端依次导通形成电压阶跃信号的反射电回路。针对铁路给水管网特点，采用铁轨、金属管道或金属示踪线作为信号输出端/接收端，以大地土壤作为导体构成闭合回路，通过检测接收信号强度，识别土壤介电常数异常点，确定管网泄漏点，本发明不需要开挖既有管道，保证铁路正常运营，操作简单方便，投入成本低，识别精度高，速度快。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明基于时域反射技术的铁路给水管网检漏系统及方法的原理图；

图2为本发明基于时域反射技术的铁路给水管网检漏系统及方法的铁路给水管网关系平面图；

图3为本发明基于时域反射技术的铁路给水管网检漏系统及方法的铁路给水管网关系剖面图；

图4为本发明基于时域反射技术的铁路给水管网检漏系统及方法的反射系数I曲线图；

图5为本发明基于时域反射技术的铁路给水管网检漏系统及方法的方法一的一阶导数曲线图；

图6为本发明基于时域反射技术的铁路给水管网检漏系统及方法的方法二的滤波后离散点图；

图7为本发明基于时域反射技术的铁路给水管网检漏系统及方法的方法二的一阶导数曲线图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示，本发明提供了基于时域反射技术的铁路给水管网检漏系统，其特征在于，包括：位于地面上的铁轨、时域反射仪及位于地面下的金属给水管，所述时域反射仪的第一信号收发端与所述铁轨电连接，所述时域反射仪的第二信号收发端与所述金属给水管电连接，所述时域反射仪的第一信号收发端、铁轨、土壤、金属给水管及时域反射仪的第二信号收发端依次导通形成电压阶跃信号的反射电回路。

具体的，所述TDR仪器组成包括：信号发射机、信号接收机、信号处理器、同轴电缆以及探头组成。信号发射及接收通过同轴电缆FB、FC接出，铁轨及给水管互为信号发出源及接收源，两者可以对调，同轴电缆需接地，本实例以铁轨作为信号接收源进行说明，位置关系见图2、图3。同轴电缆B点固定在铁轨上，探头通过夹子或者胶带等方式固定，理论上可以认为铁轨是无限长的金属导线。同轴电缆C点接到给水阀门井的金属阀门、金属管道、或者井内的金属示踪线，探头通过夹子或者胶带等方式固定，用砂纸打磨锈蚀，保证FC间实测电阻低至1～2Ω。D点表示给水管的远端，E点表示未知的泄漏点位置。

TDR仪器信号输出端探头，通过同轴电缆FC固定在金属给水管，输出电压阶跃信号，沿管道CD传播，管道上各点信号以大地土壤做导体，认为沿线土壤土质均匀，土壤介电常数波动较小，反射信号传递到铁轨上，同轴电缆FB将反射信号传递给TDR仪器信号接收机，反射信号载有土壤介电常数信息，对于泄漏点E处，该点介电常数较周围应有明显差异。

一般认为，发射信号与反射信号频率相同，受介电常数影响导致反射信号强度衰减，由于输入信号、输出信号随传播距离受阻抗影响发生衰减，定义输入信号强度T_in，定义输出信号强度T_out，定义反射系数

表示被测铁轨反射的信号强度与TDR发射器产生的信号强度之比，认为|I|＜1，I的大小与土壤介电常数关系密切，土壤介电常数稳定时，反射系数I也是稳定的，反射系数I的变化表示介电常数的变化。同时，由于铁轨近似为无限长的金属导体，

定义信号沿金属导线传播的表观距离为S，即发射的电磁信号在一定时间传导的距离，定义土壤的相对介电常数为∈，定义被测试的金属导线实际距离为L，有

其中c为电磁信号传播速度，t为信号在沿着探头两个端点行进的往返时间。

定位泄漏点E位置为L_CE＝L_CB+L_BE，其中L_CB已知，根据公式

本次试验选用TDR仪器选择便携式TDR100，脉冲输出信号250mv，输出阻抗50欧姆，给定时间内能够生成20～2048个波形，设置采集点为2048个，TDR仪器连接到电脑，通过软件LabView控制。试验管道长度L_BE＝1.9m，L_DE＝3.1m。

反射系数曲线如图4所示，曲线最左边的区域，由于仪器与管道的连接引入的高阻抗失配和相应的多次反射，造成该位置虚假反射，I从0点跳到至少0.7的位置，该点横坐标为S_B的坐标，点B的表观距离S_B＝4.3m，

S_D和S_E不能通过寻找跳跃点的方式确定。在许多基于TDR测量的方法中，通过确定反射系数曲线斜率最值的点，估计S_D和S_E的坐标，相应的反射系数曲线一阶导数最小值为S_E，反射系数曲线一阶导数最大值为S_D。

在求导数前，需要对反射系数曲线中的数据进行处理，方法一采用高阶多项式拟合反射系数曲线，再进行求导，导数曲线见图5。具体步骤如下：

①样本筛分。取点B到TDR采样信号结束的样本为{x_k}，k＝1，2，3....n，n为采样点数，x₁为B点对应的信号值，x_n为采样点结束所对应的信号值。

②多项式拟合求导。对x_k进行多项式拟合：

利用最小二乘法求解w_N，求得其多项式拟合公式，进而求其一阶导数。

根据一阶导数图像的局部最小值点确定漏点E的表观距离S_E＝7.968m，导线末端的表观距离S_D＝14.821m。

经开挖检测漏点L_BE实际距离为1.70m。

方法二采用快速傅里叶变换+低通滤波+逆傅里叶变换+一阶导数，滤波后数据见图6，导数曲线见图7。

其具体步骤如下：

①样本筛分。取点B到TDR采样信号结束的样本为{x_k}，k＝1，2，3....n，n为采样点数，x₁为B点对应的信号值，x_n为采样点结束所对应的信号值。

②线性趋势项消除。{x_k}为采集到的原始TDR信号在B点之后的数据部分，用一个多项式函数

表示其趋势项。其趋势项

通过求取

与离散数据x_B(n)的误差二次方之后最小，对系数a_j进行求取。

取m＝1,可求取样本{x_k}的线性趋势项。消除线性趋势项后的样本为{y_k}，k＝1，2，3....n。

3)对离散序列y_k进行快速傅立叶变换(FFT)。Y_k为傅里叶变换后的信号频谱。

画出傅里叶变换的频谱图如图6所示，按照Δ＝60dB的阈值进行滤波，滤除频率大于fn的信号成组，此阈值能够最大保存有用信号，去除噪声。频率fm所对应的幅值M1，频率fn所对应的幅值M2，有如下关系：

4)将滤波后的频谱记作Z_k，对信号Z_k进行逆傅里叶变换，重构信号,记重构的信号为{z_k}，k＝1，2，3....n。

5)求取傅里叶变换后的信号{z_k}的导数，其导数z′_k可通过{z_k}表达式两边求导获得：

根据一阶导数图像的局部最小值点确定漏点E的表观距离S_E＝7.968m，导线末端的表观距离S_D＝14.74m。

经开挖检测漏点L_BE实际距离为1.70m。

优选的，本方案信号接收源，除只接一根铁轨外，例如图3中①-1铁轨，也可同时接多根铁轨，同时接①-1铁轨及②-1铁轨，输入信号强度分别为T_in1及T_in2，反射系数曲线分别为I₁,I₂，对应的B、C、D点表观距离坐标分别为S_B1、S_D1、S_E1和S_B2、S_D2、S_E2，定义区间M＝[min(S_B1，S_B2)，max(S_D1，S_D2)]，在该区间内，I₁的一阶导函数为X，期望值E(X)，I₂的一阶导函数为Y，期望值E(Y)，则有协方差Cov(X，Y)＝E(XY)-E(X)E(Y)，当协方差趋近于1时，表示两份反射信号相关性较强，变化规律趋于一致，所得结果较为可信，反之，当协方差趋近于1时，表示两份反射信号较为独立，变化规律差异较大，需要重新测定。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.基于时域反射技术的铁路给水管网检漏系统，其特征在于，包括：位于地面上的铁轨、时域反射仪及位于地面下的金属给水管，所述时域反射仪的第一信号收发端与所述铁轨电连接，所述时域反射仪的第二信号收发端与所述金属给水管电连接，所述时域反射仪的第一信号收发端、铁轨、土壤、金属给水管及时域反射仪的第二信号收发端依次导通形成电压阶跃信号的反射电回路。

2.根据权利要求1所述的基于时域反射技术的铁路给水管网检漏系统，其特征在于，所述时域反射仪的第一信号收发端与所述铁轨之间通过同轴电缆FB电连接，所述时域反射仪的第二信号收发端与所述金属给水管之间通过同轴电缆FC电连接。

3.根据权利要求2所述的基于时域反射技术的铁路给水管网检漏系统，其特征在于，所述同轴电缆FB的探头通过夹子或胶带与所述铁轨固定连接，所述同轴电缆FC的探头通过夹子或者胶带与所述金属给水管固定连接。

4.根据权利要求2所述的基于时域反射技术的铁路给水管网检漏系统，其特征在于，所述同轴电缆FC的探头与给水阀门井的金属阀门、金属管道、或者井内的金属示踪线电连接。

5.根据权利要求2所述的基于时域反射技术的铁路给水管网检漏系统，其特征在于，所述同轴电缆FC的实测电阻值范围为1～2Ω。

6.根据权利要求1所述的基于时域反射技术的铁路给水管网检漏系统，其特征在于，所述时域反射仪的型号为便携式TDR100。

7.用于如权利要求1至6任一项所述的基于时域反射技术的铁路给水管网检漏系统的方法，其特征在于，包括：

S1，将时域反射仪的第一信号收发端与所述铁轨电连接，第二信号收发端与所述金属给水管电连接；

S2，时域反射仪发送电压阶跃信号，并经过所述第一信号收发端、铁轨、土壤、第二信号收发端及金属给水管形成的反射电回路进行接收；

S3，所述时域反射仪对接收到的反射信号进行分析，反射信号载有土壤介电常数信息，当金属给水管的某处的点介电常数较周围的差异超过预设范围时，则判定该处为泄漏点。

8.根据权利要求7所述的基于时域反射技术的铁路给水管网检漏方法，其特征在于，所述S2具体包括：所述时域反射仪产生电压阶跃信号，依次经过第二信号收发端、金属给水管，然后经过土壤反射到达铁轨，最后经过第一信号收发端进行接收。

9.根据权利要求7所述的基于时域反射技术的铁路给水管网检漏方法，其特征在于，所述S3具体包括：

定义信号沿金属导线传播的表观距离为S，即发射的电磁信号在一定时间传导的距离，定义土壤的相对介电常数为∈，定义被测试的金属导线实际距离为L，有

其中c为电磁信号传播速度，t为信号在沿着探头两个端点行进的往返时间；

定位泄漏点E位置为L_CE＝L_CB+L_BE，其中L_CB已知，根据公式

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